燕山水库消落带生态系统健康评价

胡艳芳,雷雅凯,田国行,何松林,何瑞珍

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

燕山水库消落带生态系统健康评价

胡艳芳,雷雅凯,田国行,何松林,何瑞珍

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

燕山水库消落带依据其坡度、宽度和水面宽度分为4个生态功能区，运用层次分析法对4个生态功能区的健康度进行评价，得出4个生态功能区的健康度指数分别为0.776 6,0.694 9,0.704 4和0.714 5，即4个生态功能区分别处于亚健康、疾病、亚健康、亚健康的状态；研究结果表明，物种多样性、湿地受胁状况和人类活动强度是影响消落带生态系统健康的主要指标因子，结果与燕山水库消落带现场调查的情况相符.

水库消落带；生态系统；健康评价；层次分析法

水库消落带又称消落区或涨落带，是指由于水库季节性水位涨落而使库区周围被淹土地周期性露出于水面的一段特殊区域，是水生生态系统和陆生生态系统交替控制的过渡地带，是特殊的湿地生态系统[1,2]. 由于湿地面积减少、结构退化和功能减弱等问题的不断出现，湿地生态系统健康受到学者们的关注，湿地生态系统健康评价的应用领域已涉及到湖泊、河流、水库消落带等多种湿地类型[3]. 20世纪80年代末,加拿大学者SCHAEFFER[4]和RAPPORT等[5]首次对生态系统健康内涵进行了探讨，成为生态系统健康研究的先导；随着生态系统健康内涵的不断发展，学者们逐步将焦点转移到生态系统健康的测定方法和指标选择的研究上，BRIZGA[6]建立了包括河流生物指标、河流生境、水文水质、河岸状态等的RHP指标体系对河流生态系统的健康进行评价，但在实际应用中某些指标的取得有一定困难；LADSON等[7]构建了ISC指标体系，主要包括河流水文、形态特征、河岸带状况、水质和水生生物5个方面，是将每条河流的每项指标与所选参照点对比评分，但其参照点的选择较为主观，此方法主要适用于农村河流生态系统健康评价；PETERSEN[8]建立的RCE多指标评价方法也主要适用于农业地区的河流；李春华等[9]运用综合健康指数法对太湖湖滨带生态系统健康进行了评价；魏伟等[10]以基于方差赋权的综合指数法对安徽铜陵地区的河流健康等级状况进行了评价. 水库消落带长期以来的研究重点主要有消落带生态环境问题[11～14]，水库消落带蓄水后植物群落格局及多样性[15,16]，消落带中耐淹耐旱植物的应用[17～20]，水库消落带的植被重建和生态修复措施[21～26]，消落带土壤氮素吸附释放规律[27]等. 随着生态系统健康评价应用领域的不断扩大，水库消落带生态环境问题的不断出现，学者们逐步将生态系统健康评价应用到水库消落带的研究中，王小飞[28]构建了压力—状态—响应评价指标体系对三峡库区(重庆开县)消落带生态系统进行了健康评价并做出预警，为三峡库区消落带生态系统的修复和完善提供了依据. 本研究以河南省平顶山市叶县境内的燕山水库消落带为研究对象，构建层次分析法评价指标体系，对燕山水库消落带4个生态功能区的生态系统健康度进行评价，为燕山水库消落带生态系统健康的修复和保护提供科学依据.

1 燕山水库消落带的现状与问题

1.1研究区概况

燕山水库位于河南省平顶山市叶县境内澧河上游的干江河上，是淮河流域规划的重点大型防洪水库，水库流域控制面积1 169 km2,总库容 9.25亿m3，其中防洪库容 3.54亿m3，兴利库容2.0亿m3.燕山水库常年水位106 m，征地边界高程 107 m，105～106 m区域每年在汛期6～9月露出水面，全年淹没时间约240 d，105～107 m区域是燕山水库消落带区域.

1.2研究对象

燕山水库消落带所处区域地形较为复杂，依据消落带坡度、宽度和水面宽度将消落带分为4个生态功能区(表1，图1).

表1 燕山水库消落带生态功能区Table 1 The ecological function areas of the water-level-fluctuating zone of Yanshan Reservoir

图1 燕山水库消落带功能分区图Fig.1 The functional divisions of the water-level-fluctuating zone of Yanshan Reservoir

1.3生态环境问题

燕山水库消落带生态环境问题是自然和人为因素共同作用的结果，主要表现在4个方面：(1)水体富营养化 消落带周期性淹水导致土壤中N,P及其他营养物质转移到水体，造成土壤养分流失和水体富营养化.(2)土壤污染 上游农业生产活动污染物氨、氮、总磷、汞等与径流中的矿物质、有机物等在消落带发生作用并不断在土壤中富集，造成消落带重金属的积累等土壤污染.(3)植物群落组成脆弱 周边居民对消落带土地的过度开发等不合理利用导致物种大量减少，且外来物种的入侵降低了本地物种多样性，破坏了生态系统的完整性，使消落带的抵抗力和恢复力降低.(4)生活污水排放 周边居民未经处理的生活污水流入水库，导致水库水质下降.

2 燕山水库消落带生态系统健康评价

2.1评价方法的选择

常用的生态系统健康评价方法主要有指示物种法和指标体系法，国外多用指示物种法，而国内则多选用指标体系法进行生态系统健康评价[3]. 指示物种法是指选取生态系统中较为敏感的物种作为指示物种，当生态系统的生存环境遭到破坏会使它们的结构功能指标发生明显变化，从而根据指示物种的多样性和丰富度对生态系统的健康性进行评价，但是单种类型指标只能反映生态系统某方面受到的影响，无法综合评价生态系统健康问题，而且选择不同的指示物种评价的结果存在较大差异[29]，水库消落带生态系统结构十分复杂，仅靠生态系统中某一类敏感物种的变化来评定生态系统的健康性是不全面的.

指标体系法是根据生态系统的特征及其功能建立指标体系进行评价的方法，一般包括3个层次，即目标层、准则层和指标层，选取的指标既包括生态系统的结构、功能和过程指标，也包括社会经济、景观格局、土地利用和人类活动指标，该方法以其提供信息的全面性和综合性而被广泛应用于生态系统健康评价中[30]，本研究结合燕山水库消落带湿地生态系统结构和受胁状况选择层次分析法(AHP)来构建指标体系对消落带生态系统的健康性进行评价.

2.2消落带生态系统健康的定义及其分级指数

如果一个生态系统是稳定的、活跃和可持续的，能够维持自身组织结构的完整性，在受到干扰后能在一定时间内自主恢复过来，则这个生态系统是健康的[31]. 根据生态系统健康概念相关研究结果[32，33]，水库消落带生态系统健康定义为：1)具有完整的生态系统和物种多样性，生态系统没有疾病反应、稳定且发展有可持续性；2)生态系统在时间进程上具有活力并能维持自身的有机组织能力，在一定时空尺度内对外界的各种干扰具有自我恢复能力，并能保证生态系统内部各组分间的平衡；3)具有保护和净化水质的功能，能够为人类社会提供服务.参照湖泊、河流、湿地等类似生态系统的健康评价，将燕山水库消落带各生态功能区的生态系统健康级别分为：很健康、健康、亚健康、疾病和严重疾病5级[9](表2).

表2 燕山水库消落带生态系统健康赋值标准Table 2 Evaluation standard of ecological system health of the water-level-fluctuating zone of Yanshan Reservoir

2.3评价指标体系的构建

应用AHP原理构建燕山水库消落带生态系统健康评价指标体系，共分为3个层次，即1个目标层因子(A)，3个准则层因子(B)，17个指标层因子(C).如图2所示.

图2 层次分析指标体系Fig.2 The index system of Analytic Hierarchy Process(AHP)

2.3.1 目标层 反映的是分析问题的预定目标或理想结果，这里将燕山水库消落带4个生态功能区生态系统的健康度作为目标层，也是研究预期的最终结果.

2.3.2 准则层 从不同侧面反映消落带生态系统健康状况的属性和水平，是主要影响因子的关键构建层. 燕山水库消落带生态系统是一个“自然—经济—社会”复合系统，健康评价指标体系应包括生态特征、功能整合性和社会政治环境3项指标[34].

2.3.3 指标层 生态系统健康评价指标的选择、分类及应用状态，直接影响评价和决策的正确性和有效性.使生态系统健康评价的研究具有实际意义的前提是确保生态系统及其环境的有效、可靠和可操作性.基于以上原则，生态特征指标包括6项：植被状况及覆盖度、水质、物种多样性、湿地退化率、农药利用率、化肥利用率. 功能整合性指标包括5项：洪水调控、侵蚀控制、净化能力、栖息地、休闲娱乐. 社会政治环境指标包括6项：人类活动强度、物质生活指数、湿地受胁状况、污水处理率、湿地保护意识和管理水平.

2.4指标层参照标准

生态系统健康评价是建立在与参照标准对比的基础上，表3列出了17项指标因子的参照标准用作各指标因子的赋值依据.

表3 燕山水库消落带生态系统健康评价指标因子参照标准Table 3 The index factors standard values of the ecosystem healthy assessment

2.5指标权重计算

本研究运用层次分析法(AHP)构造层次分析模型，通过各指标因子两两比较得出各项因子的相对权重和最终权重(表4、表5)，最后根据CR的计算，判断其权重结果是否正确.

表4 决策目标判断矩阵Table 4 Decision objective judgment matrix

2.6一致性检验

燕山水库消落带指标因子权重计算矩阵及其结果(表4、表5)，同时查层次分析法随机一致性指标[35]得出对应于n的RI值，通过计算可知决策目标判断矩阵具有完全一致性，生态特征指标、功能整合性指标、社会政治环境指标判断矩阵均具有满意一致性，说明运用AHP进行权重计算的结果是正确的.

表5 指标因子判断矩阵Table 5 Index factors judgment matrix

3 研究结果

3.1各生态功能区健康度

根据各生态功能区的基本统计资料，依据评价指标因子参照标准对17项指标进行赋值，由赋值表和权重表可以得到4个生态功能区的17个指标因子的健康分指数(表6).

由指标层因子分指数结合准则层的权重，可得到准则层的健康分指数，然后通过加和的方法得到消落带4个生态功能区的生态系统健康度指数(表7).

本研究按照健康度指数大小划分为5级(表8).

表6 各生态功能区健康分指数表Table 6 The health score index of each ecological functional area

表7 准则层的健康分指数表Table 7 The health score index of normal layer

表8 生态功能区健康分级表Table 8 The health grading index of ecological functional area

由以上可知，4个生态功能区的健康状况排序结果如表9.

表9 各生态功能区健康度排序Table 9 The health sequencing of each ecological functional area

由表9可知，4个生态功能区的健康度排序是Ⅰ>Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ，即生态功能区Ⅰ健康度最高，超过0.75；生态功能区Ⅱ的健康度最差，低于0.70，属于疾病，本次计算结果与燕山水库消落带各生态功能区调查的实际情况相符.

3.2各指标因子的权重排序

运用层次分析法计算影响燕山水库消落带生态系统健康各指标因子的重要性排序(表10)，并通过了一致性检验.

由表10可知，影响燕山水库消落带生态系统健康的主要因素是物种多样性，其次是湿地受胁状况和人类活动强度，对最终评价结果起到决定性的作用，为提高燕山水库消落带生态系统健康度应增加消落带物种多样性，采取有效措施控制人类活动和人类对湿地的威胁.

3.3各生态功能区健康预警

消落带生态系统是一个复杂的非线性系统，其健康状况存在着明显的不确定性和变异性，表11利用各指标近5 a的变化趋势对消落带各生态功能区进行健康预警.

表10 指标层各因子权重值排序Table 10 The weight sequencing of index layer

表11 各生态功能区健康预警信号表Table 11 The signals of early warning of each ecological functional area health

注： “●”表示该指标的健康信号；“→”或“←”表示该指标所反应的特征在近5 a的变化趋势；“★”代表各区健康信号的综合表现.

Note: “●”indicated the health signals of the index; “→”or“←” showed the changes trend in 5a of the index; “★”expressed the comprehensive performance of signal of each ecological function area.

由健康预警信号表可知，消落带生态功能区Ⅱ的生态特征和功能整合性处于黄灯至红灯区之间，且功能整合性有向红灯区发展的趋势，表明此处消落带生态功能区该项指标的健康状况必须引起警惕和重点关注，采取措施进行治理；其他生态功能区指标的健康度相对较好，说明大部分生态功能区的健康度属于中等.针对燕山水库消落带生态系统健康问题，首先要控制处于红灯区附近的消落带生态功能区指标继续恶化的趋势并采取相应的调整和恢复措施使其向良性方向发展，对处于临界状态的消落带生态功能区指标需要进行跟踪调查其变化趋势以便采取合理的管理模式，对于指标状态处于绿灯区内的生态功能区指标需要保持目前这种态势并给以定期监测.

4 讨论

1)本研究根据河南省平顶山市叶县燕山水库消落带特征，将其分为4个生态功能区；分别对这4个生态功能区进行健康度评价，并将消落带生态系统根据健康状况分为很健康、健康、亚健康、疾病和严重疾病5个级别. 综合评价结果表明，生态功能区Ⅱ的健康状况最差，处于疾病状态，其他3个生态功能区处于亚健康状态，该评价结果与燕山水库消落带各生态功能区实际调查情况相符合，说明构建的评价指标体系是可行的.

2)燕山水库消落带生态系统健康度的影响因子是多方面的，本研究对燕山水库消落带进行分区评价，能更准确地分析消落带区域生态系统健康问题，对燕山水库消落带区域生态系统健康度的提高具有指导意义.燕山水库消落带的物种多样性、湿地受胁状况和人类活动强度3个指标因子所占比重最大，这与消落带周边土地主要为农田和村镇密切相关，因此，要改善燕山水库消落带生态环境问题需从控制人类活动对湿地物种多样性的威胁出发.本研究部分指标因子赋值采用的是定性统计结果，因此，权重计算结果存在一定的主观性和误差；由于尚没有国际标准的消落带生态系统健康分级标准，研究参照了国内外湖泊、河流、湿地等类似生态系统健康分级划分模式，不易准确评价两个临近等级的边界值.本研究对进一步完善水库消落带生态系统健康评价体系具有一定的参考价值，同时也为消落带的治理和生态修复提供科学依据.

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(责任编辑：梁保松)

Theecosystemhealthevaluationofthewater-level-fluctuatingzoneinYanshanReservoir

HU Yan-fang, LEI Ya-kai, TIAN Guo-hang, HE Song-lin, HE Rui-zhen
(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

On the basis of the slope and width and the water width, the water-level-fluctuating zone of Yanshan Reservoir was devided into four ecological function areas. Using the Analytic Hierarchy Process (AHP) the healthiness of four ecological function areas and the weight of each index factor was calculated. As it turned out, the healthy indexes of four ecological function areas were 0.776 6, 0.694 9, 0.704 4 and 0.714 5, respectively, which meant the four ecological function areas were in ‘sub-healthy’, ‘ill’, ‘sub-healthy’ and ‘sub-healthy’ situations respectively. The results indicated that the main index factor affecting the ecosystem health were diversity of species, wetland status of being threatened and human activity, and the results corresponded to the on-the-spot investigation of the water-level-fluctuating zone of Yanshan Reservoir.

the water-level-fluctuating zone; ecosystem; health evaluation; Analytic Hierarchy Process (AHP)

1000-2340(2014)06-0757-08

Q148

：A

2014-06-17

国家自然基金项目(31470029);河南省科技攻关项目(112102110027)

胡艳芳，1984年生，女，河南兰考人，博士研究生，主要从事流域景观规划与设计方面的研究.

田国行，1964年生，男，河南封丘人，教授，博士研究生导师.